2G/3G/4G終端對手機PA的不同需求分析

近年來，手機用功率放大器(PA)市場隨著智能型手機的興起以及各種手持設備對大量數據傳輸的需求增多而變得更加紅火，本文將探討手機PA在2G/3G/4G終端市場中的演進趨勢。

　　在3G市場，WCDMA相關產品占有70%以上的份額，這些產品包括手機、數據上網卡、3G系統(tǒng)模塊，以及各種各樣配備3G通訊設備的產品(如平板電腦、電子書等)。2010年問市的最新一代WCDMA/HSPA手機PA的基本規(guī)格要求主要來自于手機芯片廠商高通的建議，每款單一頻段的PA尺寸從原本的4mm×4mm大幅縮小至3mm×3mm，并且需將原來位于PA之外的定向耦合器與所需的匹配電路一起集成到3mm×3mm的功放內，以有效簡化射頻前端電路，大幅縮減所占的電路板面積。

　　功率輸出模式則從原來的提供兩種輸出功率，發(fā)展為支持數字化三重輸出功率運作，同一顆PA必須在高、中、低三種功率輸出時都具有優(yōu)異的使用效率，通話時可在多個功率輸出模式下自動切換，以獲得最高的功率效率，有效延長電池使用壽命。不過，三重輸出功率模式的切換較為復雜，會影響到手機系統(tǒng)EVM的連續(xù)性，這也是PA廠商與手機芯片廠商必須克服的問題。

　　此外，新的PA要能在尺寸、腳位與功能上與其它PA廠商完全兼容。其內部通常帶有穩(wěn)壓器的設計，因此無需任何外部參考電壓。還需要優(yōu)異的溫度補償設計，在極端的工作環(huán)境(-40°C至+85°C)下，仍然可以保持穩(wěn)定的PA特性。同時還要求每款PA能與HSPA/HSPA+兼容。

　　最通用的WCDMA/HSPA頻段包括Band 1(1,920～1,980MHz)、Band 2(1,850～1,910MHz)、Band 5(824～849MHz)以及Band 8(880～915MHz)。單個獨立的PA支持單一的WCDMA/HSPA頻段仍是市場主流。整體來說，相對于2G(GSM/GPRS/EDGE)應用對PA的規(guī)格要求，3G/4G對于PA的線性度及功耗要求更高，因為大量數據的快速傳輸需要高線性度的支持。

　　對于3G市場所需的CDMA2000/EV-DO手機用PA，其基本規(guī)格與最新一代WCDMA/HSPA手機用PA也日趨一致，朝著3mm×3mm微型封裝、集成耦合器的方向發(fā)展。而在WCDMA與CDMA共存的手機平臺上，同頻段的WCDMA與CDMA的PA將可以共享。

　　對于3G市場所需的TD-SCDMA/HSDPA手機PA，因使用頻段(1,880～1,920MHz以及2,010～2,025MHz)與WCDMA Band-1頻段相近，且基本規(guī)格要求也相仿，因而有些廠商會直接采用新一代的WCDMA Band-1手機PA。

　　4G市場上，現有的手持LTE設備以數據上網卡為主，也有少量高端手機面市。無論是FDD-LTE還是TD-LTE所采用的PA，基本上其尺寸與規(guī)格要求都與WCDMA PA非常相似，差別僅在頻段上。目前在售的LTE PA的引腳與功能完全兼容，對內置耦合器與三重輸出功率運作的要求也一致。LTE的頻段繁多，在TD-LTE方面，中國工信部已經正式批準了2,570MHz～2,620MHz之間總共50M的TD-LTE頻率。此外，業(yè)界對采用2.3GHz頻率的呼聲也很大。而在FDD-LTE通用的頻段上已陸續(xù)有手機PA面市，以適應歐美地區(qū)的LTE頻段。如今的LTE裝置大多需向下兼容WCDMA/HSPA以及GSM/EDGE。在LTE設備中，如果采用的某些LTE頻段與WCDMA/HSPA頻段一致，LTE與WCDMA/HSPA也可共享同一顆PA，讓產品設計者可以更靈活地進行射頻前端的組件布局和線路設計，并節(jié)省PA組件成本。

　　GSM/EDGE四頻PA模塊也顯示出演進的趨勢。大部分3G/4G設備，尤其是智能型手機與數據上網卡等快速傳輸大量數據的應用設備需向下兼容GSM/EDGE。對GSM/EDGE PA模塊的EDGE部分而言，與3G/4G功放相同，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具備高線性度，以確保向基站發(fā)送信號的保真度。因此，GSM/EDGE四頻PA功放模塊的規(guī)格要求相比價格低廉的GSM/GPRS PA模塊要復雜得多，也更難以實現。GSM/EDGE四頻PA模塊的市場仍然牢牢掌握在國外廠商手里。

　　在GSM/EDGE市場上，高通等廠商過去采用的是極性(Polar)PA模塊，其它手機芯片平臺商則大多采用線性(Linear)PA模塊。業(yè)界的最新趨勢是向線性PA模塊靠攏，尺寸也縮小到5mm×5mm，砷化鎵仍然是主流。另一個新趨勢是某些GSM/EDGE四頻線性PA模塊采用與3G PA相似的多重輸出功率運作，而非傳統(tǒng)Vramp調控，這樣能為低頻段(850MHz/900MHz)與高頻段各提供3至4種功率模式，進一步提高效能并延長通話時間。

　　隨著手機與數據上網卡等通信產品朝著多模(2G/3G/4G)、多頻的方向發(fā)展，射頻前端所需的各種功放與雙工器(Duplexer)會越來越多，天線開關模塊(Antenna Switch Module)也逐步發(fā)展到SP9T、SP10T，甚至SP12T。SAW濾波器的用量可能會變少，因為手機芯片廠商紛紛強化其收發(fā)器的特性，標榜SAW-less手機平臺，以減少Tx與Rx的SAW濾波器需求量。為簡化射頻前端電路并減小占板面積，以手機PA為核心，進一步集成各種射頻前端模塊也是一個明顯趨勢。

　　目前較普遍的以PA為核心的射頻前端模塊(RF FEM)基本上有三種形式：一種是3G單個頻段沿著信號收發(fā)路徑的集成，如WCDMA/HSPA功放+雙工器+SAW濾波器，一般尺寸為4mm×7mm;一種是3G數個常用頻段的PA集成在單一封裝中，如WCDMA/HSPA頻段1與5的結合、2與5的結合以及1與8的結合，這些由兩種頻段PA合而為一的3G PA模塊尺寸約為4mm×5mm;另一種則是2G PA模塊(GSM/GPRS或GSM/EDGE四頻PA模塊)與天線開關的高度集成。

　　手機PA在2G/3G/4G終端產品中非常重要，除了需求量大幅增加之外，還需滿足嚴格的通信標準以傳送信號，其耗電量在手機終端產品上也僅次于LCD屏幕，再加上在各式射頻前端模塊上扮演的核心角色，手機PA廠商需肩負起提升終端產品通信品質、降低產品功耗與簡化射頻前端的責任。